Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа

По экспериментальным данным о равновесных составах фаз рассчитаны термодинамические параметры фаз системы Cu-Fe. Установлено, что указанную систему можно считать системой монотектического типа, однако монотектический участок линии ликвидуса вырождается в точку, а сами расплавы следует считать усл...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Христенко, В.В., Руденко, М.А., Кириевский, Б.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2009
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Получение и обработка расплавов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114141
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа / В.В. Христенко, М.А. Руденко, Б.А. Кириевский // Процессы литья. — 2009. — № 6. — С. 16-22. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-114141
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1141412017-03-03T03:02:47Z Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа Христенко, В.В. Руденко, М.А. Кириевский, Б.А. Получение и обработка расплавов По экспериментальным данным о равновесных составах фаз рассчитаны термодинамические параметры фаз системы Cu-Fe. Установлено, что указанную систему можно считать системой монотектического типа, однако монотектический участок линии ликвидуса вырождается в точку, а сами расплавы следует считать условно гомогенными. На основі експериментальних даних щодо рівноважних складів фаз розраховані термодинамічні параметри фаз системи Cu-Fe. Встановлено, що цю систему можна вважати системою моно- тектичного типу, проте монотектична ділянка лінії ліквідуса вироджується в точку, самі ж розплави слід вважати умовно гомогенними. On experimental data about equilibrium compositions of phases the thermodynamic parameters of Cu-Fe system phases are calculated. Ii is established that the possible to consider this system as a monotectical type system; the monotectical segment of liquidus curve however degenerates in point. It is necessary to consider melts of this system as conditionally homogeneous. 2009 Article Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа / В.В. Христенко, М.А. Руденко, Б.А. Кириевский // Процессы литья. — 2009. — № 6. — С. 16-22. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114141 669.11/15:546.56:546.72//62-9 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов
spellingShingle	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов Христенко, В.В. Руденко, М.А. Кириевский, Б.А. Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа Процессы литья
description	По экспериментальным данным о равновесных составах фаз рассчитаны термодинамические параметры фаз системы Cu-Fe. Установлено, что указанную систему можно считать системой монотектического типа, однако монотектический участок линии ликвидуса вырождается в точку, а сами расплавы следует считать условно гомогенными.
format	Article
author	Христенко, В.В. Руденко, М.А. Кириевский, Б.А.
author_facet	Христенко, В.В. Руденко, М.А. Кириевский, Б.А.
author_sort	Христенко, В.В.
title	Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа
title_short	Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа
title_full	Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа
title_fullStr	Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа
title_full_unstemmed	Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа
title_sort	уточнение строения расплавов системы cu-fe методом термодинамического анализа
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Получение и обработка расплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114141
citation_txt	Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа / В.В. Христенко, М.А. Руденко, Б.А. Кириевский // Процессы литья. — 2009. — № 6. — С. 16-22. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT hristenkovv utočneniestroeniârasplavovsistemycufemetodomtermodinamičeskogoanaliza AT rudenkoma utočneniestroeniârasplavovsistemycufemetodomtermodinamičeskogoanaliza AT kirievskijba utočneniestroeniârasplavovsistemycufemetodomtermodinamičeskogoanaliza
first_indexed	2025-07-08T07:00:13Z
last_indexed	2025-07-08T07:00:13Z
_version_	1837061126803685376
fulltext	16 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 6 Получение и обработка расплавов 16. Охотский В.Б. // Изв. РАН. Металлы. - 1993. - № 2. - С. 12-20. 17. Смирнов Н. И., Рубан В. Л. // жПХ. - 1949. - № 1. - С. 1211-1214; 1951. - № 1. - С. 47-55. 18.Turkdogan E. T. // ISI. - 1972. - V. 210. - P. 21-36. 19. Линдер С. // Инжекционная металлургия. - М.: Металлургия, 1981. - С. 28-42. 20. Дорохов В. И. // Изв. АН СССР. Металлы. - 1967. - № 6. - С. 10 -20. 21.Plоckinger E., Wahlstеr M. // Stahl u Eisen. - 1960. - № 10. - S. 659-669. 22. Plоckinger E. // Stahl u Eisen. - 1956. - № 12. - S. 739-742. 23. Steinhour H. H. // Ind. Eng. Chem. - 1944. - V. 36, № 7. - Р. 618-624. Поступила 06.05.2009 УДК 669.11/15:546.56:546.72//62-9 В. В. Христенко, М. А. Руденко, Б. А. Кириевский Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев УТОЧНЕНИЕ СТРОЕНИЯ РАСПЛАВОВ СИСТЕМы cu–Fe МЕТОДОМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОгО АНАЛИзА По экспериментальным данным о равновесных составах фаз рассчитаны термодинамические параметры фаз системы Cu-Fe. Установлено, что указанную систему можно считать системой монотектического типа, однако монотектический участок линии ликвидуса вырождается в точку, а сами расплавы следует считать условно гомогенными. На основі експериментальних даних щодо рівноважних складів фаз розраховані термодинамічні параметри фаз системи Cu-Fe. Встановлено, що цю систему можна вважати системою моно- тектичного типу, проте монотектична ділянка лінії ліквідуса вироджується в точку, самі ж розплави слід вважати умовно гомогенними. On experimental data about equilibrium compositions of phases the thermodynamic parameters of Cu-Fe system phases are calculated. Ii is established that the possible to consider this system as a monotectical type system; the monotectical segment of liquidus curve however degenerates in point. It is necessary to consider melts of this system as conditionally homogeneous. Ключевые слова: расплав, термодинамические параметры, медь, железо, диаграмма со- стояния, термодинамическая модель. В последнее время проявляется значительный интерес к разработкам новых сплавов на основе меди, способных сохранять высокие показатели механических свойств (на- пример, твердости) в сочетании с удовлетворительными специальными свойствами (на- пример, тепло- и электропроводности) при повышенных температурах. Температурный предел сохранения свойств существующих дисперсионнотвердеющих сплавов на медной основе не превышает 60 % температуры плавления основы. В то же время верхний предел рабочих температур сплавов на базе металлических систем монотектического типа может достигать 90 % от температуры плавления основы. Разработан ряд новых сплавов системы Cu-(Fe-Cr-C), в которых включения упро- чняющей дисперсной фазы формируются непосредственно в расплаве [1]. Основой упрочняющей фазы (включений (Fe-Cr-C)) этих сплавов является железо. Поэтому осознанное усовершенствование указанных материалов практически невозможно без анализа термодинамических свойств фаз системы Cu-Fe. Термодинамические свойства системы Cu-Fe исследовались в работе [2]. Однако, чтобы сделать однозначный вывод о возможности двухфазного состояния расплавов этой системы имеющихся данных недо- ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 6 17 Получение и обработка расплавов статочно. На возможность двухфазного состояния расплавов системы Cu-Fe указывает анализ строения наружных электронных оболочек ионов ее компонентов [2, 3]. Вместе с тем, более строгий вывод о типе диаграммы состояния указанной системы позволяет сделать анализ термодинамических параметров фаз. В качестве термодинамической модели была выбрана локально-конфигурационная модель, позволяющая учитывать строение фаз в виде слагаемых конфигурационной энтропии. В рамках этой модели система уравнений межфазного равновесия двухком- понентной системы принимает следующий вид [4]: (1) [ ]® ® ® ® × × × D × D ìïïíïïî y xR T U x U y U q R T U x U y U q x (1) 2 (2) 2 (1 2) (1 2) 0 0 AA (1) 2 (2) 2 (1 2) (1 2) 0 0 BB (1- )/(1- )= ( - + ) / ( - ln ); = ( (1- ) - (1- ) + ) / ( - ln (y / )), где R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К) – универсальная газовая постоянная;Т – абсолютная температу- ра равновесия, К; ∆U AA (1→2), ∆U BB (1→2) – изменения потенциальных энергий взаимодействия атомов одного вида при переходе из фазы 1 в фазу 2; x, y – молярные доли компонента В в фазах 1 и 2 соответственно; q(1→2) = lnβ(1) – lnβ(2); β(1), β(2) – термодинамические вероят- ности состоянии (1) и (2) соответственно; U(1) 0 и U(2) 0 - параметры взаимодействия в фазах 1 и 2 соответственно. Термодинамические свойства определялись путем решения (относительно параметров) системы из 2 ⋅ N уравнений, полученных подстановкой в систему (1) экспериментально определенных значений равновесных составов фаз, при N значениях температуры. Для системы Cu-Fe в литературе [5, 6] практически отсутствуют комплементарные составы фаз, находящихся в равновесии. Поэтому на основании имеющихся данных о составах фаз при различных температурах рассчитывались аппроксимирующие функции, описывающие фазовые границы диаграммы состояния. Рассматривались уравнения, описывающие следующие виды фазовых равновесий (рисунок): - αFe(тв) ↔ εCu(тв) – равновесие α-твердого раствора на основе железа с ε-твердым раствором на основе меди; - αFe(тв) ↔ γFe(тв) – равновесие α-твердого раствора на основе железа с γ-твердым ра- створом на основе железа; - γFe(тв) ↔ εCu(тв) – равновесие γ-твердого раствора на основе железа с ε-твердым ра- створом на основе меди; - γFe(тв) ↔ δFe(тв) – равновесие γ-твердого раствора на основе железа с δ-твердым ра- створом на основе железа; - δFe(тв) ↔ ж2 – равновесие δ-твердого раствора на основе железа с жидкой фазой на основе железа; - γFe(тв) ↔ ж1 – равновесие γ-твердого раствора на основе железа с жидкой фазой на основе меди; - εCu(тв) ↔ ж1 – равновесие ε-твердого раствора на основе меди с жидкой фазой на основе меди. Совместное решение уравнений для всех видов межфазных равновесий системы Cu-Fe позволило по- лучить согласованные расчетные значения термодина- мических параметров (табл. 1, 2). Расчетные значения параметров взаимодействия в жидкой фазе на основе железа (29360,1 Дж/моль) и меди (27219,5 Дж/моль) находятся в удовлетворительном соответствии со зна- чениями параметров взаимодействия в жидкой фазе, полученными в работе [2] при разных температурах на основании экспериментальных данных (31060 Дж/моль - при 1823 К; 29910 и 19170 Дж/моль - при 1873 К). Фаза Параметр взаимодей- ствия U 0 , Дж/моль α 41150,0 γ 31921,4 δ 34164,4 ε 19831,3 ж1 27219,5 ж2 29360,1 Таблица 1. Рассчитанные значения параметра взаи- модействия в фазах 18 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 6 Получение и обработка расплавов Проверку адекватности полученных значений проводили путем сравнения рассчитанных величин изменения термодинамических параметров компонентов при фазовых переходах со справочными данными (изменение энтальпий и энтропий, а также температуры фазовых переходов, табл. 2). Температуры фазовых переходов чистых ком- понентов вычисляли в соответствии с формулой [7] « « «D D(1 2) (1 2) (1 2)= / ,T H S (2) где ΔH(1↔2) = U(1) - U(2) - расчетное значение изменения энтальпий чистых компонентов при фазовом переходе, численно равное изменению потенциальной энергии взаимодействия Диаграмма состояния системы Cu-Fe, построенная по расчетным значениям термодинамических параметров фаз: – - рассчитанные линии, описывающие равновесия фаз; - экспериментальные точки равновесных составов фаз [6]; × - экспериментальные точки равновесных составов фаз [5] ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 6 19 Получение и обработка расплавов Вид фазового перехода Термодинамические параметры Расчетное значе- ние параметра Литературное значе- ние параметра 1 2 3 4 ε ↔ ж1 изменение энтальпии меди, Дж/моль 13230,8 13050 [10] 13263,28 [11] 13020 [12] температура перехода меди, К 1357,77 1357,065 [10] 1357,77 [11] 1356,55 [12] изменение энтальпии железа, Дж/моль 17549 - температура перехода железа, К 1801 1801 [8] изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 9,7445 9,616 [10] 9,7684 [11] 9,599 [12] δ ↔ ж2 изменение энтальпии меди, Дж/моль 7196,5 - температура перехода меди, К 1086 1086 [8] изменение энтальпии железа, Дж/моль 11233,35 13765,7 [10] 13806,0 [11] 13804,0 [12] температура перехода железа, К 1695,2 1811 [10] 1809 [11] 1808 [12] изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 6,6266 7,6241 [11] γ ↔ δ изменение энтальпии меди, Дж/моль 2057,8 - изменение энтальпии железа, Дж/моль 825,8 825,8 [11] 840 [13] температура перехода железа, К 1666,9 1667,5 [11] 1664 [10] 1665 [13] изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 0,4954 0,4953 [11] α ↔ γ изменение энтальпии меди, Дж/моль 7874,3 - изменение энтальпии железа, Дж/моль 625,8 1012,87 [11] 900 [13] температура перехода железа, К 1184,8 1184,8 [11] 1187 [12] Таблица 2. Изменения термодинамических параметров компонентов и фаз системы cu-Fe при фазовых переходах 20 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 6 Получение и обработка расплавов между атомами одного вида при фазовом переходе, Дж/моль; ∆S(1↔2) = R ⋅ q(1↔2) – расчетное значение изменения энтропии при фазовом переходе, Дж/(моль ∙ К). Для фазовых превращений, не реализующихся в обычных условиях (плавление меди со строением δ - Fe (δCu(тв) ↔ ж2) и плавление железа со строением ε - Cu (εFe(тв) ↔ ж1), дополнительно проводили сравнение расчетных значений температур указанных переходов с данными, приведенными в литературе [8]. Рассчитанные значения термодинамичес- ких величин находятся в удовлетворительном соответствии с литературными данными (табл. 2). Изменение конфигурационной энтропии при переходе от жидкой фазы (ж1) к жидкой фазе (ж2) рассчитывалось с учетом фазовых превращений, представленных на рисунке g g d d® ® ® ®D D DD (ж1 ж2) (ж1 ) ( ) ( ж2)= + + ,S S S S (3) где ∆S(ж1→ж2), ∆S(ж1→γ), ∆S(γ→δ), ∆S(δ→ж2) – изменение конфигурационной энтропии при со- ответствующих фазовых переходах, Дж/(моль ⋅ К). Результаты расчета показывают, что переход от жидкой фазы на основе меди (ж1) к жидкой фазе на основе железа (ж2) характеризуется большим изменением конфигура- ционной энтропии (3,2203 Дж/(моль ⋅ К)). Для сравнения следует подчеркнуть, что, на- пример, изменение конфигурационной энтропии при переходе γFe(тв) ↔ δFe(тв) составляет 0,4954 Дж/(моль ⋅ К), что в 6,5 раз меньше, чем при переходе ж1 ↔ ж2. Это позволяет 1 2 3 4 изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 0,5282 0,8549 [11] α ↔ ε изменение энтальпии меди, Дж/моль 1245,7 - изменение энтальпии железа, Дж/моль 19339,0 - изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 2,2513 - γ ↔ ε изменение энтальпии меди, Дж/моль 3,18 - изменение энтальпии железа, Дж/моль 1,11 - изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 0,0857 - γ ↔ ж1 изменение энтальпии меди, Дж/моль 6017,1 - изменение энтальпии железа, Дж/моль 4478,4 - изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 3,9017 - ж1 ↔ ж2 изменение энтальпии меди, Дж/моль 17190,1 - изменение энтальпии железа, Дж/моль 21202,4 - изменение энтропии, Дж/(моль ⋅ К) 3,2203 - продолжение табл. 2 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 6 21 Получение и обработка расплавов заключить, что жидкая фаза на основе меди (ж1) и жидкая фаза на основе железа (ж2) имеют различные строения. Оценка строения областей локального порядка жидких фаз ж1 и ж2 приводится в работе [2], где на основе результатов анализа строения наружных электронных оболочек ионов компонентов показано, что строение областей локального порядка жидкой фазы (ж1) характеризуется координационным числом 12, а строение областей локального по- рядка жидкой фазы (ж2) - координационным числом 8. Вывод о возможности существования расплавов системы Cu-Fe в виде двух фаз также подтверждается подобием диаграмм состояния Cu-Fe и Cu-Cr, которую можно считать системой монотектического типа [9]. На кривой ликвидуса диаграммы состояния системы Cu-Fe [6] имеется точка перегиба. На кривой ликвидуса диаграммы состояния системы Cu-Cr [6, 9] также имеется подобная точка, которая считается вырожденным монотекти- ческим отрезком линии ликвидуса [9]. Кроме того, по обе стороны от точек перегиба на кривых ликвидуса диаграмм состояния систем Cu-Cr и Cu-Fe имеют место нонвариантные превращения. Это также свидетельствует о подобии процессов, происходящих в расплавах указанных систем [14]. Выводы · Результаты анализа термодинамических параметров фаз позволяют считать систему Cu-Fe системой монотектического типа. · Результаты совместного анализа термодинамических параметров фаз и особеннос- тей строения наружных электронных оболочек ионов компонентов свидетельствуют о возможности существования расплавов системы Cu-Fe в двухфазном состоянии: фазы ж1, строение областей локального порядка которой характеризуется координационным числом 12, и фазы ж2, строение областей локального порядка которой характеризуется координационным числом 8. · Концентрационная протяженность области двухфазного состояния расплавов системы Cu-Fe достаточно мала. В результате монотектический участок линии ликви- дуса вырождается в точку. Поэтому расплавы указанной системы можно считать условно гомогенными. 1. Кириевский Б. А., Христенко В. В. Дисперсноупрочненные сплавы на основе меди со структурой типа «замороженной» эмульсии, технология производства литых электродов // Процессы литья. – 2007. – № 1-2. – С. 93-100. 2. Кириевский Б. А., Руденко М. А., Христенко В. В. Особенности строения расплавов системы Cu-Fe // Там же. – 2009. – № 3 – С 63-68 . 3. Григорович В. К. Влияние электронного строения легирующих элементов на образование метал- лических растворов // Теоретические и экспериментальные методы исследования диаграмм со- стояния металлических систем. – М.: Наука, 1969. – С. 7-24. 4. Пинес Б. Я. Очерки по металлофизике. – Харьков: Изд-во Харьковского ун-та, 1961. – 315 с. 5. Турчанин М. А., Агравал П. Г. Термодинамика жидких сплавов, стабильные и метастабильные фазовые равновесия в системе медь-железо // Порошковая металлургия. – 2001. – № 7-8. – С. 34-53. 6. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под ред. Н. П. Лякишева. – М.: Маши- ностроение, 1996. – Т 2. – С. 240-243. 7. Даркен Л. С., Гурри Р. В. Физическая химия металлов: Пер. с англ. – М.: Государственное научно- техническое издательство по черной и цветной металлургии, 1960. – 582 с. 8. Williams R. O. Melting points of the metallic elements having the face-centered cubic, body-centered cubic, and close-packed hexagonal structures // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. – 1990. – Vol.11, № 3. – P. 224-226. 22 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 6 Получение и обработка расплавов 9. Кириевский Б. А., Христенко В. В., Перелома Е. В. Уточнение параметров области несмешиваемости в жидком состоянии диаграммы Cu-Cr // Металлофизика и новейшие технологии. – 2000. – № 5. – С. 7-15. 10. Свойства элементов / Под ред. Г. В. Самсонова. – М.: Металлургия, 1976. – Т. 1. – 600 с. 11. Dinsdale A. T. SGTE data for pure elements // Calphad. – 1991. – Vol. 15, № 4. – P. 317-425. 12. Смитлз К. Д. Металлы: Справочник / Пер. с англ. - М.: Справочное изд-во, 1980. – 447 с. 13. Chase M. W. Heats of transition of the elements // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. – 1983. – Vol. 4, № 1. – P. 124. 14. Вилсон Д. Р. Структура жидких металлов и сплавов: Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 247 с. Поступила 21.04.2009 ВНИМАНИЕ! Предлагаем разместить в нашем журнале рекламу Вашей продукции или ре- кламный материал о Вашем предприятии. Редакция также может подготовить заказной номер журнала. Стоимость заказного номера - 4000 грн. Расценки на размещение рекламы (цены приведены в гривнях) Размещение Рекламная площадь Стоимость, грн. Рекламные блоки в текстовой части журнала Цветные 1/2 страницы 1/3 страницы 1/4 страницы 900 600 300 Черно-белые 1/2 страницы 1/3 страницы 1/4 страницы 550 380 200 цветная реклама на обложке Третья страница обложки 1 страница 1/2 страницы 1/4 страницы 2800 1400 700 Четвертая страница обложки 1 страница 1/2 страницы 1/3 страницы 3100 1550 1000 При повторном размещении рекламы - скидка 15 % Наш адрес: Украина, 03680, г. Киев-142, пр. Вернадского, 34/1 Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины Справки телефон: (044) 424-12-50, 424-04-10, 424-34-50 факс: (044) 424-35-15; E-mall: proclit@ptima.kiev.ua

Уточнение строения расплавов системы Cu-Fe методом термодинамического анализа

Репозитарії

Схожі ресурси